|
距2029年5月19日北京工体（鸟巢） 个人演唱会还有 3704天 知识就是力量，欢迎回到2049. 今天距2029年北京工人体育场个人演唱会还有3704天。 在广袤无垠的宇宙中，除了那点点星光之外，还有一种我们肉眼所无法看见的光在散发着绚丽的光芒，虽然它很低调，但却蕴藏着可以揭示各种宇宙之谜的信息，它便是“宇宙微波背景辐射”。欢迎收看大型娱乐节目回到2049第四季第13集《上帝之光：宇宙微波背景辐射》。 如果您是老观众或老听众的话，我相信不会躲过您的法眼，这期又是一锅冷饭，为什么要炒这样一期冷饭当然是有原因的。首先，关于宇宙微波背景辐射的话题，我们曾做过三期短篇节目，分别在2016年6月26日、2017年8月23日和24日，不过早期的节目不论是内容还是形式，都惨不忍睹，把很多好的话题都祸祸毁了，所以我也打算就这样一些话题重新梳理一下，以更高的姿势水平来分享一点人生的经验。其次，上周的“进化论”我是旁征博引、谈古论今，那知识都学杂了，再加上本来就逆天的颜值，又俘获一大堆小妹妹，这一个礼拜给我累的，差点提前去见卡斯特罗了。所以今天也算是一个缓冲，为下周五的大的蓄力。第三个原因，最近我正在思考一个大问题，很有可能便是下周五节目的题材，这个问题已经把我的脑子填满了。大脑被填满，身体又被小妹妹掏空了，难免要萎靡一周了。第四个原因，算了，编不下去了，反正我乐意，你打死我啊？好了闲话少叙，开始宇宙微波背景辐射2.0版本。 如果你买一部射电望远镜，并把天线对准宇宙中的“虚无”之处时，你就会探测到一种电波，而且无论天线指向何方，这种电波都不会消失，更神奇的是，它们的强度也完全相同。由于这种神秘的电波来自于宇宙中没有星星的、一无所有的虚空背景，所以人们给它起个名字叫“宇宙背景辐射”。 1964年，美国天文学家阿诺-彭齐亚斯与罗伯特-威尔逊，使用号角式的高灵敏度的天线系统，以噪声的形式首次接收到了宇宙背景辐射这一神秘的宇宙电波。1989年，NASA发射了COBE人造卫星，其目的正是探索宇宙背景辐射，结果发现，宇宙背景辐射中含有大量波长为2mm左右的无线电波，其频率属于微波范围，于是宇宙背景辐射就又加了两个字，变成了宇宙微波背景辐射。其实，宇宙微波背景辐射虽然听起来不知道高到哪里去了，但事实上，我们在日常生活中都可以见到宇宙微波背景辐射。比如我小时候是没有有线电视的，只能在电视上放一个天线，能搜到几个频道完全凭缘分，所以小时候这电视都看串了，我还沉浸在白娘子与许仙的断桥相会上，突然就变成了人间大炮一级准备了。很多时候，破天线是一个台也搜不到，于是我们就只能看到大片的雪花和嘶嘶声。这种雪花和噪声，正是由于电视机的天线接收到了与电视播放无关的无线电波后所产生的，研究表明，这些无关的无线电波中的1%就来自宇宙微波背景辐射。所以下次和小妹妹躺倒宾馆里的时候，你就想办法把电视调成这样的，然后说：来，我们来一起欣赏一下宇宙的第一缕光。 彭齐亚斯与威尔逊 发现宇宙微波背景辐射的天线系统 电视的雪花 那么宇宙微波背景辐射究竟是如何产生的呢？研究发现，宇宙微波背景辐射与某种物质所发出的无线电波，具有几乎完全相同的特点，而这便是-270℃的物质所发出的无线电波。我们知道，所有物质都在发射与其温度相应的电磁波，比如说铁被加热到600℃左右时就会发红，到了1000℃，就会变成黄色，这说明铁能够根据温度的变化，发出不同颜色的光。无线电波与可见光都是电磁波，只不过它们的波长不同，无线电波是波长最长的一种电磁波，而随着波长不断变短，电磁波依次表现为红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。研究表明，低温物质大多发射出波长长的电磁波，而高温物质则发出波长短的电磁波。这是因为，电磁波是由电子等带电粒子运动所产生的，所有的普通物质都是由原子构成的，而且原子都含有电子。所以，所有的物质都可以发射电磁波，由于物质的温度就是原子运动的剧烈程度，所以温度越高，原子的运动就越剧烈，其所发出的电磁波在一定时间内的振动次数就越多，也就是它的波长越短。那么宇宙微波背景辐射的无线电波，与-270℃的物质所发出的无线电波几乎完全相同，这意味着什么呢？ 尽管彭齐亚斯与威尔逊在1964年就观测到了宇宙微波背景辐射，但在这之后将近1年的时间中，这哥俩一直都不清楚这种来自宇宙各个方向的、均匀神秘的-270℃的无线电究竟是什么。一开始他们认为，这种神秘的无线电波是干扰天体观测的背景噪声，但干扰来自于何处，却一直没有头绪，他们对天线进行了彻底检查，甚至一度怀疑是粘在天线上的鸟屎造成的，但最终也未能找到噪声的来源。 1965年，彭齐亚斯把接收到来自宇宙的神秘无线电波这件事儿，告诉了天文学家伯纳德-伯克，伯克得知这一重要的消息后，敏锐地指出：这种神秘的无线电波，很有可能是宇宙大爆炸残留下来的电磁波。1948年，伽莫夫等人提出了宇宙大爆炸理论，该理论认为，最初的宇宙只是一个体积无限小，密度无限大，温度无限高，时空曲率无限大的点，之后，它在极其短暂的瞬间发生了急剧膨胀，才形成了现在的宇宙。借此，伽莫夫进一步预言：早期的宇宙温度极高，整个宇宙都在发光。而在宇宙膨胀的过程中，附着在空间中的电磁波也随之被拉长，目前的理论认为，宇宙在释放出宇宙微波背景辐射时的温度大约为3000K，而到了今天，温度约3000K的物质所发出的波长较短的光，却作为温度大约为3K的物质发出的波长较长的无线电波被我们观测到了。温度降低到大约千分之一，相应的波长会被拉长大约1000倍，这就意味着，宇宙从发出宇宙微波背景辐射到现在，大约扩大了1000倍。总的来说就是，在宇宙经历过膨胀并冷却后的今天，远古宇宙发出的光辉的余烬，依然充满了宇宙空间。这些现在依然飘荡在宇宙中的大爆炸余烬，便是宇宙微波背景辐射的本质。 伽莫夫 那么在宇宙发出宇宙微波背景辐射之前，它是什么样子呢？很可惜，目前我们还不是特别清楚，除了理论模型之外，我们无法得到切实的观测依据。这是因为，在宇宙诞生后的37万年时间中，光一直无法直线前进，那时的宇宙温度极高，构成原子的原子核和电子还没有结合到一起，而是分别独立地存在于宇宙空间之中，这就好比是一锅混乱的粒子汤。当光遇到四处穿梭的电子后，就会被电子散射，从而无法直线前进，就好像我们身处浓雾之中。而随着时间的推移，宇宙不断膨胀，温度逐渐降低，在诞生大约37万年后，宇宙的温度降低到了大约3000K，在这一温度下，原子核与电子的运动开始变慢，带正电的原子核与带负电的电子结合到一起，形成了原子。此时，变成原子一部分的电子，就再也不能干扰光的传播了，笼罩整个宇宙的电子浓雾终于散开，宇宙变得透明了。由此可见，宇宙微波背景辐射是我们能够直接观测宇宙面貌的最古老的光。 虽然在地面上观测，宇宙背景辐射是均匀的，但科学家认为，宇宙微波背景辐射不可能在所有方向上，都具有完全相同的温度，而是应该具有极其微小的起伏。这是因为，如今的宇宙分布着大量的恒星、行星、星云等各种天体，是一个喧闹的宇宙。而至于这些天体的形成，起主要作用的则是引力。具有质量的物体之间，会因引力而相互吸引，而引力的大小则与物体的质量有关。当某处聚集的物质多于周围时，该处的引力就会略大于周围，于是，周围的物质就会越发地聚集到引力大的地方，结果导致这里的引力变得更大。多次重复之后，物质更加密集，最后就诞生了星体。所以说，如果早期宇宙中的物质分布完全均匀，没有任何差异的话，那么物质就不可能聚集到一个地方，也根本不可能形成星体。既如此，宇宙微波背景辐射的温度也会相应地产生差异，只不过这种差异极小，再加上由于一部分无线电波被大气吸收的缘故，所以在地面上，根本无法进行灵敏度足以辨别微小差异的精密观测。 于是，为了验证这一假说，NASA于1989年发射了COBE卫星，其全名便是“宇宙背景探测器”。升空后的COBE卫星首先在较窄的范围内，对宇宙微波背景辐射进行了精确探测，大约6周后所公布的探测结果，与理论预测几乎完全吻合，可谓相当完美。之后，COBE卫星开始探测所有方向上的宇宙微波背景辐射，旨在绘制宇宙背景辐射全图，从而确认宇宙的确存在温度差异。 COBE 1992年，COBE观测团队正式公布了宇宙微波背景辐射的全景观测结果，这便是我们现在看到的布满红色和蓝色的椭圆形图。这些颜色差异，正是为了强调宇宙微波背景辐射温度的微小差异。总之就是，宇宙微波背景辐射的温度，就像水面上泛起的涟漪那样，具有微小的起伏和差异，这被称为宇宙微波背景辐射的各向异性。在观测成果新闻发布会上，2006年诺贝尔物理学家得主、美国天体物理学家乔治-斯穆特这样说道：我仿佛看到了上帝的脸。这脸也够大的。COBE的观测结果，是人类有史以来首次发现的早期宇宙中物质分布不均匀的证据，正是由于这种不均匀，宇宙中后来才形成了各种星体。从某种意义上说，宇宙背景辐射全景图，是观测宇宙最古老的光后绘制而成的“最古老的宇宙面貌”。 COBE的宇宙背景辐射图 斯穆特 虽然在人们根据COBE的观测结果所绘制的宇宙背景辐射全景图中，用红色和蓝色特别强调了宇宙背景辐射的温度差异，但实际上，这种温差大约只有10万分之1K。COBE的观测结果显示，宇宙背景辐射的平均温度为2.725K，高温区域与低温区域，分别只比平均值高出或低出0.00001K。 在COBE卫星之后，科学家们又进一步提升了卫星的精度和灵敏度，发射了新的宇宙背景辐射观测卫星。2001年，NASA发射了威尔金森微波各向异性探测器WMAP，2009年，欧洲空间局发射了普朗克卫星。相比于COBE大约为7°的观测精度，WMAP的观测精度达到了0.2°，而普朗克卫星更是达到了0.8°。虽然三颗卫星所给出的图片颜色不尽相同，也虽然它们的精度相差甚远，但3个观测结果都揭示了一个共同之处，那就是椭圆中心略偏右下方的地方，有一处温度变低的区域。至于此处形成的原因，至今仍是未解之谜，有人甚至大胆猜测，此处是我们的宇宙与另一个宇宙的结合处。 WMAP 普朗克卫星 WMAP绘制的宇宙背景辐射图
普朗克卫星绘制的宇宙背景辐射图 那么通过解读宇宙背景辐射，我们能够了解到宇宙的什么信息呢？首先是宇宙的成分，根据普朗克卫星的观测数据，通过对宇宙背景辐射的分析表明，宇宙中的已知物质仅占整个宇宙成分的4.9%，真相不明的暗物质占26.8%，而其余的68.3%则是真相不明的暗能量。至于怎么算的，那我就不知道了。 除了成分之外，人们也可以通过宇宙背景辐射得知宇宙的年龄。计算年龄原理非常简单，那就是时间=距离÷速度。宇宙背景辐射是电磁波，其传播速度为固定不变的光速。而距离的计算就要用到一点小技巧了，我们知道，利用一个已知实际大小的物体，就可以根据这个物体的表观大小来计算出距离。利用同样的原理，科学家计算出，发射出宇宙背景辐射的地方距离地球大约为450亿光年，这也是可观测宇宙的半径的大小。可见，宇宙的年龄也应该是450亿岁，但我们现在所熟知的结果是138亿年，那么这是为何呢？这是因为需要修正宇宙自身膨胀量的缘故，研究认为，由于宇宙的膨胀，所以导致了宇宙背景辐射旅行的距离扩大到了约3.3倍，用450亿除以3.3，就可以得知宇宙的年龄约为138亿年。 此外，根据宇宙背景辐射，我们还可以得知宇宙的形状。结果表明，至少在可观测宇宙范围内，宇宙是平坦的，也就是其曲率为0。这是因为，如果宇宙空间是弯曲的话，那么历经漫长旅程抵达地球的宇宙背景辐射，看上去也应该是弯曲的，但实际上，我们并没有观测到这样的弯曲。 最后一个话题，虽然我们对宇宙诞生后37万年之前的事情不太了解，但通过宇宙背景辐射，我们却可以获得一个重要的信息，这便是暴胀。尽管宇宙背景辐射的温度存在和10万分之1的微小欺起伏，但从根本上说，无论从宇宙的哪个方向上看，其温度都是几乎相同的，而事实上，这是一个用现有的物理定律无法解释的神奇现象。 现在让我们追本溯源，前面我们说了，从宇宙发出背景辐射到现在，宇宙大约膨胀了1100倍，更精确的结果是1100倍，考虑到这一因素，如果进行逆向计算的话，用4500亿÷1100，就可以得知，抵达今天地球的宇宙背景辐射，是从距离后来发育为地球的位置大约4100万光年远的地方发出的。由于抵达地球的宇宙背景辐射的温度，无论在哪个方向上都几乎完全相同，所以，当时释放出的宇宙背景辐射的温度，也应该在任何地方都是几乎相同的。也就是说，在发出宇宙微波背景辐射之时，在半径高达4100万光年的宇宙空间中，温度几乎是相同的。 我们知道，要想让某一空间内的温度变得均匀，就必须通过某种方法，让热量传递到整个空间中的各个角落。但问题在于，传递是需要时间的，而发出宇宙背景辐射时，宇宙刚刚诞生了37万年，要想在37万年的时间中，使得半径4100万光年的广阔范围内，温度变得均匀，光表示它也不是谦虚，只能另请高明了。 那么怎样才能在有限的时间内，使得光速都无法达到的广阔宇宙空间的温度变得均匀呢？针对这一疑问，有一个极具说服力的回答，那就是在大爆炸发生之后的极短时间内，宇宙发生了异乎寻常的急剧膨胀，这便是暴胀。暴胀是空间本身的膨胀，所以它不受光速的限制，比如说现在，那些距离地球非常遥远的星系，就由于宇宙膨胀效果，正在以超光速远离地球而去。研究认为，暴胀是一次难以想象的不合情理的急剧膨胀，宇宙在刚刚诞生后极其短暂的一瞬间，加速膨胀了好几十个数量级，这样一来，一个极小的点，在一瞬间就扩展成了异常广阔的区域。原则上来说，由一个点扩展而成的区域具有相同的温度。 那么暴胀到底发生过没有呢？由于宇宙背景辐射是人类能够观测到的最古老的宇宙之光，所以，科学家无法利用光，来直接观测到宇宙诞生之后37万年间的事情。不过，理论认为，暴胀的痕迹会以“旋涡”的形式残留在宇宙背景辐射之中。 如果以比原子小的尺度观察空间的话，我们就会发现空间在不断起伏变化。微观空间中的长、宽、高都是不确定的，处于不断变化的不稳定状态。而诞生时的宇宙正是如此，所以，暴胀导致的急剧膨胀，会把这种微观起伏扩展到整个宇宙。这样一来，就形成了到处都在弯曲的宇宙空间。源于暴胀的宇宙空间的弯曲被称为“原初引力波”，正是它们在宇宙背景辐射中导致了“旋涡”的生成。旋涡的形成机制是这样的，我们知道，光是横波，其振动方向垂直于传播方向，一般来说，自然界的光中，同时包含向各个方向振动的波。不过有时候，光的振动方向会偏于一方，这就是所谓偏振光。在日常生活中，光被水面或玻璃面反射后，都会形成偏振光。而即便没有水或玻璃，如果空间中有温度差的话，也会形成偏振光。与此类似的，原初引力波通过让空间发生伸缩，也可以形成偏振光。所以，来自各个方向的原初引力波相互交叉的话，角度略微不同的偏振光，就会呈现圆形排列，也就是说，形成了旋涡。这个漩涡就是暴胀的痕迹，在宇宙背景辐射中的残留，专业说法叫“B模”。 2014年3月17日，由加州理工学院和斯坦福大学等联合实施的观测项目宣布，它们利用设在阿蒙森-斯科特南极科考站的望远镜，首次成功探测到了B模。暴胀证据发现的这一消息，顿时在科学家引起了轩然大波。不过，在这一消息发表的3个月后，该团队又发表声明称这可能是一次乌龙事件，不排除观测到的旋涡图案，是由原初引力波以外的原因造成的可能性。2015年1月，最终结果公布，果不其然，此次观测到的B模是由银河系中的尘埃造成的。而迄今为止，暴胀依然存在于理论之中，我们仍未观测到确实可称为暴胀证据的现象。多个团队正在向着这一目标发起冲击，可以想见，如果发现了暴胀证据，这将又是一次诺贝尔奖级别的发现。总之，真相大白的一天不久就会到来。
B模 好了今天我就编完了。暗夜的魅力正在于它的黑暗，在于一份邀你沉思的遗产。 |
|
|
